水庫潰壩洪水計算及影響分析
——以禮亨水庫為例

楊寶林，邱熠晨

(贛州市水利電力勘測設(shè)計研究院，江西 贛州 341000)

為了充分利用水力水能資源、解決人民日益增長的用水需求與供水的矛盾，我國在許多河流上修建了大中小型電站或水庫。雖然水庫的建成能有效調(diào)節(jié)水資源時空分布不均，但是大壩受超頻率洪水、強(qiáng)震以及其它破壞，存在潰決風(fēng)險，可能誘發(fā)大壩潰決[1]。為提高臺風(fēng)暴雨、水庫突發(fā)事件等災(zāi)害突發(fā)事件防范與處置工作，全面提高應(yīng)對洪澇災(zāi)害的快速反應(yīng)能力，切實做好水庫遭遇突發(fā)事件的防洪搶險調(diào)度和險情搶護(hù)工作，政府部門制定防洪搶險應(yīng)急預(yù)案時通常需要對水庫大壩潰壩洪水進(jìn)行分析計算，以最大限度地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失，保障城市經(jīng)濟(jì)社會安全穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。禮亨中型水庫，位于定南縣城上游，與定南縣城距離較近，且水庫庫容較大，大壩一旦發(fā)生潰決，將會給定南縣城人民生命財產(chǎn)安全帶來重大損失，因此，該文通過利用我國中小型水庫常用的潰壩模型對禮亨水庫進(jìn)行了潰壩洪水分析計算，并利用arcgis軟件進(jìn)行潰壩洪水對下游的淹沒洪水風(fēng)險圖，為當(dāng)?shù)卣坝嘘P(guān)單位制定相關(guān)措施提供依據(jù)和參考。

1 工程概況

1.1 流域基本情況

禮亨水庫位于江西省定南縣城西北部距縣城3.5 km的東江支流下歷水上游，屬珠江水系。壩址控制流域面積為34.9 km2，壩址以上主河長為9.5 km，河床比降為9.76‰。流域內(nèi)山巒重疊，植被較好，地理位置見圖1。

1.2 工程基本情況

禮亨水庫是一座以供水、灌溉為主，兼有發(fā)電和滯洪防洪作用的中型水利樞紐工程?？値烊轂? 910萬m3，水庫校核洪水標(biāo)準(zhǔn)P=0.1%，校核洪峰流量為505 m3/s，校核洪水位為279.41 m(黃海標(biāo)準(zhǔn)，下同)；設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)P=2%，設(shè)計洪峰流量為322 m3/s，設(shè)計洪水位277.66 m。設(shè)計灌溉面積為680 hm2，電站裝機(jī)為 520 kW。水庫樞紐建筑物由大壩、溢洪洞、灌溉及發(fā)電引水隧洞等建筑物組成。大壩為砼心墻土壩，壩頂長為165 m，壩頂高程為281.58 m，壩頂寬為6.0 m，最大壩高為30 m。

禮亨水庫于1958年動工興建，1964年基本建成，后經(jīng)1977年保安加固達(dá)到現(xiàn)有工程規(guī)模，2004—2008年進(jìn)行過除險加固，至今已運(yùn)行55 a，尚未發(fā)生歷史險情及搶險。禮亨水庫設(shè)有水雨情觀測設(shè)施及工情安全監(jiān)測設(shè)施，能對水位、降雨量、壩體、壩基滲流壓力進(jìn)行觀測。水庫工程管理范圍內(nèi)各建筑物之間及對外交通道路通暢，滿足水庫日常運(yùn)行管理和防汛搶險需要。禮亨水庫管委會現(xiàn)有管理人員9人，滿足工程管理需要。禮亨水庫地理位置重要，保護(hù)耕地0.67萬hm2、人口6.2萬，水庫一旦失事，將給下游人民的生命財產(chǎn)和國家重要設(shè)施造成重大災(zāi)害，下游定南縣城防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，壩址20年一遇洪峰流量為 253 m3/s，經(jīng)水庫調(diào)蓄后泄量為42.8 m3/s。

2 水庫潰壩洪水模擬

2.1 大壩潰決分析

禮亨水庫大壩為砼心墻土壩，當(dāng)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫頂、不可預(yù)見的地質(zhì)、地震災(zāi)害導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)破壞、壩體管涌滲流或防汛調(diào)度管理措施不當(dāng)?shù)纫蛩囟伎赡苁顾畮旃こ坛霈F(xiàn)重大險情，若搶險保壩措施無效，將導(dǎo)致大壩潰決[2]。

2.2 大壩潰決洪水計算資料與方法

大壩潰決分為局部潰壩和瞬時全潰等情況，國內(nèi)外對水庫大壩潰決最大流量的計算方法包括圣維南法、黃委經(jīng)驗公式法、斯托克法及鐵道部科學(xué)研究院經(jīng)驗公式法等[3-5]。

1) 潰壩時壩址處最大流量

本次潰壩洪水流量的計算參考《水利水電工程實用水文水力計算》一書中的圣維南法壩體瞬間全垮時的計算公式：

(1)

式中：

QM——潰壩時壩址處最大流量,m3/s；

B——壩址斷面的平均寬度,m；

h0——潰壩前的壩前水深,m。

2) 水庫下游控制斷面潰壩最大流量的計算采用經(jīng)驗公式：

(2)

式中：

Q控M——控制斷面處潰壩最大流量,m3/s；

V——水庫潰壩時的蓄水庫容,m3；

QM——壩址處潰壩最大流量,m3/s；

L——壩址斷面至控制斷面的距離,m；

vM——洪水期河道斷面的最大流速,m/s，無資料地區(qū)，山區(qū)可取3.0～5.0 m/s。

K——經(jīng)驗系數(shù)，一般情況下山區(qū)取1.1～1.5。

3) 下游控制斷面潰壩洪水到達(dá)時間

潰壩之后，潰壩洪水比一般洪水的傳播要快得多，其波速在壩址附近最大，距壩址愈遠(yuǎn)，波速削減愈快。黃河水利委員會水利科學(xué)研究所根據(jù)實驗求得潰壩洪水傳播時間及概化流量過程線如下[6-7]。

① 洪水起漲時間計算公式

(3)

式中：

L——距壩址距離， m；

H0——壩上游水深，m；

W——可泄庫容(可泄總水量)，m3;

h0——潰壩洪水到達(dá)前下游計算斷面的平均水深，m，即與基流Q相應(yīng)的平均水深；

K1——系數(shù)，為0.65×10-3～0.75×10-3，取平均數(shù)為0.70×10-3；

t1——洪水起漲時間，s。

② 下游控制斷面最大流量到達(dá)時間計算公式

(4)

式中：

K2——系數(shù)，等于0.8～1.2; 取K2=1.0；

hM——最大流量時的平均水深，由已求出的最大流量，再由水位流量關(guān)系曲線求得；

t2——最大流量到達(dá)時間， s。

2.3 計算結(jié)果與分析

2.3.1壩址處潰壩最大流量及洪水流量過程線分析

本次以禮亨水庫為例，采用不考慮淤積、校核洪水壩體瞬時全垮的最不利工況進(jìn)行潰壩洪水計算，禮亨水庫大壩壩址瞬時全潰洪峰流量計算結(jié)果見表2。

表2 禮亨水庫大壩壩址瞬時全潰洪峰流量計算成果

壩址洪水流量過程線采用簡化的方法，潰壩流量過程可簡化為4次拋物線[8]，利用公式5計算得到禮亨水庫壩址瞬時全潰洪水流量過程線，成果見表3和圖2所示。

圖2 禮亨水庫壩址瞬時全潰洪水流量過程線示意

表3 禮亨水庫壩址瞬時全潰洪水流量過程線成果

(5)

式中：

K——系數(shù)，本次取4.5；

W——總庫容；其他參數(shù)同前。

禮亨水庫壩址千年一遇洪水洪峰流量為505 m3/s，而本次計算的瞬時全潰洪峰流量為25 148 m3/s，為千年一遇洪峰流量的49.8倍，禮亨水庫一旦發(fā)生瞬時全潰洪水，對下游的定南縣將造成無法估量的影響。

2.3.2沿程斷面潰壩最大流量及潰壩洪水傳播時間計算

經(jīng)分析，水庫潰壩決口后下游的沿程潰壩洪水到達(dá)中沙村、定南縣城、天九鎮(zhèn)、桃西村居民點(diǎn)，在這幾個重要村的位置上設(shè)立最大流量計算斷面。

根據(jù)公式2，計算得到壩址下游各重要斷面的潰壩最大流量(見表4)。

表4 壩址下游各重要斷面的潰壩最大流量

根據(jù)公式3，潰壩洪水到達(dá)重要斷面的時間見表5，潰壩洪水最大流量到達(dá)重要斷面的時間見表6。

表5 壩址下游各重要斷面的潰壩洪水到達(dá)時間

表6 壩址下游各重要斷面的潰壩洪水最大流量到達(dá)時間

2.4 潰壩洪水淹沒范圍分析

本次利用公式2 計算下游各控制斷面潰壩最大流量，讀取地形圖中河流寬度，可以計算各控制斷面潰壩最大水深，以基礎(chǔ)地形圖的原始高程加上水深即為潰壩后洪水位，利用arcgis軟件以各控制斷面洪水位進(jìn)行插值[9-11]，將插值后的洪水位數(shù)據(jù)與原始高程相減，即可得到洪水淹沒范圍水深。具體計算過程如下。

2.4.1計算參數(shù)

1) 計算范圍。由于禮亨水庫主壩潰壩洪水影響范圍未知，為了能夠完全囊括潰壩洪水對下游的影響范圍，本次計算范圍包括定南縣城、天九鎮(zhèn)。

2) DEM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用地理空間數(shù)據(jù)云的30 m分辨率DEM圖。

3) 下游控制斷面潰壩最大流量。劃定距壩不同里程位置，采用公式2計算。

2.4.2計算結(jié)果分析

禮亨水庫潰壩對下游的影響范圍指校核洪水潰壩后可能涉及的范圍，計算表明潰壩后主要淹沒的是定南縣城，此外，定南縣天九鎮(zhèn)也受到影響。校核洪水位情況下，禮亨水庫壩址斷面的平均寬度為165 m，潰壩前的壩前水深為30 m，潰壩洪水下泄流量為 25 148 m3/s。禮亨水庫潰壩后的流程：主壩—中沙—定南縣城—天九鎮(zhèn)。潰壩洪水將使下游地區(qū)的鐵路、公路中斷，淹沒下游(壩址至22 km)以上總面積為20.1 km2。最大淹沒水深為27 m，主要分布在定南縣城。由表5、表6可知，禮亨水庫潰壩洪水最大流量 1 h內(nèi)將到達(dá)定南縣城，整個時間過程非常短暫，因此，一旦有潰壩跡象，預(yù)先采取保壩措施及做好下游群眾安全轉(zhuǎn)移非常重要[12]。

禮亨水庫潰壩洪水淹沒洪水風(fēng)險示意見圖3。

圖3 禮亨水庫潰壩洪水淹沒洪水風(fēng)險示意

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本文采用經(jīng)驗公式對定南縣禮亨水庫大壩瞬時全潰洪峰流量進(jìn)行了計算，分析了水庫潰壩決口后下游的重要村鎮(zhèn)的位置潰壩最大流量及潰壩洪水傳播時間，大壩瞬時全潰壩址處洪峰流量為25 148 m3/s，為水庫千年一遇校核洪水標(biāo)準(zhǔn)洪峰流量的49.8倍，禮亨水庫一旦發(fā)生瞬時全潰洪水，對下游的定南縣將造成無法估量的影響。為直觀體現(xiàn)禮亨水庫潰壩后帶來的影響，本文利用參數(shù)模型計算了校核洪水潰壩情況下最大可能淹沒范圍、淹沒水深等風(fēng)險指標(biāo)的空間分布，禮亨水庫壩址斷面的平均寬度為165 m，潰壩前的壩前水深為30 m，潰壩洪水下泄流量為25 148 m3/s，淹沒總面積為20.1 km2，最大淹沒水深為27 m，對定南縣城的淹沒影響較大，禮亨水庫潰壩洪水最大流量1 h內(nèi)將到達(dá)定南縣城，整個時間過程非常短暫，因此，一旦有潰壩跡象，預(yù)先采取保壩措施及做好下游群眾安全轉(zhuǎn)移非常重要。

3.2 建議

1) 為減少禮亨水庫潰壩對定南縣造成的影響，禮亨水庫管理部門應(yīng)加強(qiáng)水庫大壩安全監(jiān)測、巡查，按規(guī)定進(jìn)行大壩定期安全評價，及時消除水庫建筑物安全隱患，保證水庫建筑物的性態(tài)安全，應(yīng)認(rèn)真做好水雨情資料收集、洪水預(yù)報和洪水調(diào)度等工作，為險情的發(fā)生爭取有利時間。

2) 根據(jù)水庫安全性態(tài)狀況、庫區(qū)及大壩下游社會經(jīng)濟(jì)狀況的變化，按規(guī)定要求對《防洪預(yù)案》進(jìn)行修訂，并組織好學(xué)習(xí)培訓(xùn)和演練，以檢驗和提高預(yù)案的可操作性和時效性。

3) 鑒于流域面積較小，洪水陡漲陡落，洪水預(yù)見期短，人員轉(zhuǎn)移宜以就近轉(zhuǎn)移安置為主，如框混結(jié)構(gòu)房屋從低樓層轉(zhuǎn)移至高樓層等。受水庫潰壩沖擊影響的區(qū)域，宜規(guī)劃為非人口聚集用地，以減輕水庫潰壩災(zāi)害風(fēng)險。